基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)構(gòu)建三維模型

巨迪雯 何龍 韓俊揚(yáng) 劉秋燕

摘 要 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用契合市場(chǎng)對(duì)三維仿真度的要求，同時(shí)如何高效率的獲取高質(zhì)量?jī)A斜影像也是技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難題，本文對(duì)比研究后選取八旋翼無人機(jī)搭載小型五拼航攝儀得到較好的初始數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)下快速建模的應(yīng)用。研究搭建自動(dòng)實(shí)現(xiàn)web端三維模型可視化一體的平臺(tái)，使模型在網(wǎng)絡(luò)上對(duì)不同用戶進(jìn)行共享。

【關(guān)鍵詞】?jī)A斜攝影測(cè)量 五拼航攝儀 三維建模 自動(dòng)化平臺(tái)

1 引言

數(shù)字城市的提出，將人們對(duì)地球的探索引向三維的表達(dá)方法。隨著社會(huì)對(duì)地理信息精度和可視化要求的增高，原有基于高程和地物頂部信息合成三維模型的手段不能滿足更高層次的需求。近年來提出的傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，通過多角度傾斜拍攝，獲得地物側(cè)面紋理信息，達(dá)成大規(guī)模構(gòu)建高仿真、高精度三維城市模型，很大程度上提高仿真三維建模的可操作性，進(jìn)而得到廣泛的關(guān)注和推廣。在傳統(tǒng)分別搭載五個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)傾斜攝影測(cè)量的方法上，本文提出輕小型五拼傳感器與便攜旋翼無人機(jī)結(jié)合的處理方式，使彌補(bǔ)、完善后的飛行器將用于更廣闊的領(lǐng)域，如城市規(guī)劃管理、應(yīng)急指揮、旅游產(chǎn)業(yè)等方面。不同領(lǐng)域?qū)θS模型的需求，使三維模型在提出后。三維模型在不同方面的應(yīng)用，使更多人感受到三維模型帶來的便利，大眾對(duì)三維模型脫離軟件走向?yàn)g覽層面提出了迫切希望，本文基于Cesium地圖引擎將三維模型在客戶端瀏覽器中顯示，為用戶提供標(biāo)記，量測(cè)，查詢定位，模型加載等功能。

2 傾斜攝影測(cè)量概述

2.1 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，它顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜等五個(gè)不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實(shí)直觀世界。拍攝相片時(shí)，同時(shí)記錄航高、旁向重疊度、GPS坐標(biāo)數(shù)據(jù)等，為后續(xù)三維建模的分析整理提供有利條件。

2.2 傾斜攝影技術(shù)特點(diǎn)

將無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于構(gòu)建三維城市，具有以下特點(diǎn)：

2.2.1 可操作性強(qiáng)

獲取數(shù)據(jù)途徑簡(jiǎn)便快捷，后續(xù)無需作業(yè)人員再次現(xiàn)場(chǎng)拍攝；數(shù)據(jù)處理主要通過計(jì)算機(jī)軟件解算，自動(dòng)化程度高。

2.2.2 三維模型更接近真實(shí)場(chǎng)景

相比于只從垂直角度拍攝的正射影像，大量?jī)A斜影像可提供建筑物多角度紋理信息，補(bǔ)充地物的側(cè)面細(xì)節(jié)，使建模效果符合人眼真實(shí)場(chǎng)景，彌補(bǔ)了人工建模仿真度低的缺陷。

2.2.3 成本低

在相同的拍攝時(shí)長(zhǎng)中獲取五倍數(shù)據(jù)，大量數(shù)據(jù)為批量進(jìn)行特征點(diǎn)提取和同名點(diǎn)匹配提供先決條件，縮短節(jié)省建模時(shí)間，節(jié)約勞動(dòng)力成本；直接獲取建筑物多面信息，減少航拍次數(shù)，降低儀器損耗。

2.2.4 具有較大的視場(chǎng)角

增添傾斜角度的航攝相機(jī)后，可根據(jù)傾斜攝影相機(jī)安放角度不同，可適當(dāng)調(diào)節(jié)視場(chǎng)角。

3 傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)獲取

3.1 儀器介紹

3.1.1 八旋翼無人機(jī)介紹

無人機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)林，軍事，環(huán)境資源監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，復(fù)雜多變的地形為數(shù)據(jù)的采集增加難度，對(duì)比于固定翼無人機(jī)，旋翼可拆方便攜帶，且一定程度上可以克服起飛場(chǎng)地的限制；面對(duì)紋理繁多的地物，可進(jìn)行空中懸停，延長(zhǎng)數(shù)據(jù)獲取時(shí)間，大大提高工作效率。相比于四、六旋翼無人機(jī)，八旋翼無人機(jī)具有完整的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在情況多變的野外具備動(dòng)力系統(tǒng)雙發(fā)失效時(shí)飛行器可控。考慮到在救災(zāi)、植保等方面的負(fù)載需求，不考慮上下疊層的四軸模式，選取具有八軸的動(dòng)力系統(tǒng)，增加標(biāo)準(zhǔn)載荷。

3.1.2 五拼航攝儀

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)需同時(shí)搭載五個(gè)傳感器。它是在下視相機(jī)的基礎(chǔ)上增加前視、后視、左視、右視4個(gè)傾斜相機(jī)，通過固件結(jié)構(gòu)連接在一起形成的一個(gè)剛體，5個(gè)相機(jī)在攝影時(shí)達(dá)到同步曝光。不僅空間上得到充分利用，而且在性能上達(dá)成多臺(tái)相機(jī)的統(tǒng)一控制、存儲(chǔ)同步、與無人機(jī)一體化供電，避免裝置準(zhǔn)備和數(shù)據(jù)提取工作的重復(fù)。單相機(jī)均采用SonyILCE QX1，焦距為35mm，傳感器分辨率為5456×3632，2010萬像素，像元尺寸4.2um，單相機(jī)存儲(chǔ)容量為16 GB，可存儲(chǔ)2000張影像。

3.2 實(shí)驗(yàn)

3.2.1 測(cè)區(qū)概況

測(cè)區(qū)定于天津師范大學(xué)，位于天津市西青區(qū)西北部，西部與天津工業(yè)大學(xué)緊鄰，東部與天津理工大學(xué)接壤，學(xué)校占地面積3500畝、建筑面積84萬平方米。地理坐標(biāo)位于東經(jīng)E117°06' 46"-117°07' 34"，北緯N39°03' 12"-39°04' 14"。

3.2.2 航帶設(shè)計(jì)

采用五拼攝影儀進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量。航攝平臺(tái)在相對(duì)航高約300m的情況下，獲取下視地面分辨率0.36m的影像，旁向重疊度80 %+，航向重疊度80%+。

3.3.3 數(shù)據(jù)處理

如圖1所示。

傾斜攝影測(cè)量初始數(shù)據(jù)受各方面因素影響極大程度上降低了模型精度，其中受天氣影響造成的色差、受傾斜角度拍攝影響產(chǎn)生的幾何畸變干擾尤為顯著。所以本實(shí)的驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括色差調(diào)節(jié)和幾何校正兩部分，利用photoshop完成色差調(diào)節(jié)；利用兩個(gè)不同傾斜角度放置平行柵，找到成像系統(tǒng)的對(duì)稱中心，最小二乘法求出系統(tǒng)畸變參數(shù)的方式進(jìn)行畸變校正。預(yù)處理后的大數(shù)據(jù)基于Smart 3D軟件進(jìn)行空三加密，其步驟主要分為將控制點(diǎn)數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、影像區(qū)塊導(dǎo)入，刪除3D view中飄離點(diǎn)，設(shè)置影響特征點(diǎn)選取的參數(shù)，進(jìn)行連接點(diǎn)（即特征點(diǎn)）提取和匹配等。在連接點(diǎn)匹配時(shí)結(jié)合控制點(diǎn)數(shù)據(jù)可反向解算出外方位元素，得知每張圖片的空間位置關(guān)系。通過空三加密點(diǎn)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)，加上真實(shí)紋理映射，實(shí)現(xiàn)接近真實(shí)場(chǎng)景的三維建模。

4 系統(tǒng)搭建

4.1 平臺(tái)功能

Cesium是一個(gè)基于向?qū)ο蟮腏avaScript語言編寫，使webGl進(jìn)行圖形渲染的地圖引擎。利用Cesium開展平臺(tái)，創(chuàng)建三維虛擬地球，為用戶提供標(biāo)記，量測(cè)，查詢定位，模型加載等功能。

4.1.1 標(biāo)記

Cesium提供兩類API，其中Entity API可繪制空間數(shù)據(jù)如點(diǎn)、標(biāo)記、標(biāo)簽、線、3D模型、形狀、立體形狀（volume），基于此類可滿足用戶對(duì)某一地區(qū)標(biāo)記畫線設(shè)置放置特殊幾何圖形的功能。

4.1.2 測(cè)量

用戶能通過量測(cè)功能進(jìn)行對(duì)地圖上繪圖線段與多邊形面積的量測(cè)，即一種空間面積量測(cè)的功能。通過Cesium Math類中封裝好的方法即可實(shí)現(xiàn)。

4.1.3 查詢定位

Cesium中的Geocoder控件支持經(jīng)緯度定位。通過Geocoder對(duì)已知的經(jīng)緯度進(jìn)行查詢，控制視口照相機(jī)的鏡頭實(shí)現(xiàn)畫面轉(zhuǎn)換。操作相機(jī)的方法有很多種，其中用戶可通過zoom to 直接定位、fly To動(dòng)畫轉(zhuǎn)移等方式跳轉(zhuǎn)鏡頭進(jìn)行定位。

4.1.4 模型加載

對(duì)于以往基于正射影像生成的三維模型可直接通過cesium js實(shí)現(xiàn)三位模型的加載。基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)構(gòu)建的三維模型數(shù)據(jù)增加了信息量大量大、規(guī)模大等技術(shù)難點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)Web環(huán)境下批量三維模型數(shù)據(jù)的加載，Cesium新增支持二進(jìn)制格式的3D-Tile數(shù)據(jù)的功能，可將Smart 3D 中構(gòu)建的三維模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)?D-Tile格式，利用Cesium中3D-Tile分支對(duì)傾斜攝影測(cè)量模型加載。

4.2 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

平臺(tái)包括數(shù)據(jù)層，服務(wù)層，客戶層。數(shù)據(jù)層放置屬性、空間等初始信息。服務(wù)層中分為數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、建模、模型數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等模塊，將不同的模塊看作獨(dú)立的單元，增設(shè)簡(jiǎn)明、容易的進(jìn)入接口，提供函數(shù)級(jí)別的復(fù)用，以外接庫(kù)的方式插入服務(wù)層。采用混合云存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)層和服務(wù)層中各種類型的海量數(shù)據(jù)管理，將數(shù)據(jù)分別放置于私有云、公有云達(dá)成信息安全的維護(hù)?？蛻魧踊赾esium實(shí)現(xiàn)三維模型在瀏覽器中的可視化表達(dá)。根據(jù)平臺(tái)系統(tǒng)的分層設(shè)計(jì)原則，采用B/S結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)龐大的功能核心集中于服務(wù)器上，客戶只需安裝瀏覽器實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能，如圖2、圖3所示。

5 結(jié)語

通過上文論述可以看出，基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，批量處理傾斜影像構(gòu)建三維模型，簡(jiǎn)化了原有的技術(shù)手段，豐富地物信息。將此復(fù)雜多變的過程搭建為一體化平臺(tái)，使建模工程趨于自動(dòng)化。綜上，該平臺(tái)在完成的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)模型可視化，基本達(dá)成現(xiàn)代社會(huì)對(duì)三維表達(dá)全方位要求，但平臺(tái)中仍然存在明顯不足。如本文對(duì)天津師范大學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的成果中，部分水面明顯無影像貼合，局部建筑幾何扭曲。所以該平臺(tái)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，仍然需要不斷改進(jìn)、完善。

（通訊作者：何龍）

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作者簡(jiǎn)介

巨迪雯（1996-），女，四川省成都市人。大學(xué)本科在讀，天津師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院地理信息科學(xué)專業(yè)。主要研究方向?yàn)榈乩硇畔⒖茖W(xué)。

何龍（1989-），男，河南省商丘市人。理學(xué)碩士。天津師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院助理實(shí)驗(yàn)師。主要研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)應(yīng)用與開發(fā)。

作者單位

天津師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 天津市300000